Способ получения резонансной криогенной мишени Российский патент 2024 года по МПК G21B1/19 

Изобретение относится к технологии изготовления микромишеней и может быть использовано при проведении исследовательских программ в области физики высоких энергий, например, при термоядерном синтезе, для генерации экстремального ультрафиолетового и рентгеновского излучения, поиска новых частиц и т.п.

В настоящее время в области исследований процесса воздействия лазерного излучения на мишени для термоядерного синтеза из различных материалов и разнообразных конструкций большинство работ посвящено изучению взаимодействия нескольких пучков лазерного излучения (обычно с линейной поляризацией) с поверхностью сферической оболочки (см., например, С.А. Бельков и др. Термоядерные мишени прямого облучения лазерным импульсом мегаджоульного уровня // ЖЭТФ, 2015, том 148, вып. 4(10), стр. 784-798; патент США 9466397, опубл. 11.10.2016, заявка США 2014/0334585 (опубл. 13.11.2014); Г.И. Марчук, В.С. Имшенник, М.М. Баско. Физика термоядерного взрыва шара из сжиженного дейтерия нормальной плотности // Успехи физических наук, 2009, т. 179, №3, с. 289-295; Ю.А. Меркульев. Миниатюрные критические массы термоядерного горючего и делящихся элементов // М.: Физический институт имени П.Н. Лебедева, 2010, Препринт №16, с. 136; Ватулин В.В., Жидков Н.В., Кравченко А.Г., Кузнецов П.Г., Литвин Д.Н., Мисько В.В., Пинегин А.В., Плетнева Н.П., Сенник А.В., Стародубцев К.В., Тачаев Г.В. Измерение скорости ударной волны в различных материалах, генерируемой рентгеновским излучением на установке Искра-5 // Забабахинские научные чтения: сборник материалов Х Международной конференции. Снежинск: издательство РФЯЦ ВНИИТФ, 2010. - С. 10).

Известен способ создания мишени для проведения реакции термоядерного синтеза [Патент РФ 2674256], заключающийся в выполнении мишени в виде тонкостенного полого усеченного конуса, на внутренней поверхности которого нанесен слой вещества термоядерного топлива, при этом размеры упомянутого конуса порядка размеров фокусного пятна в пучке лазерного излучения, используемого для воздействия на упомянутую мишень.

Известны способы получения сферических мишеней с криогенным слоем топлива [И.В. Александрова, С. В. Базденков, А.А. Белолипецкий, Е.Р. Корешева, Е.Л. Кошелев, И.Е. Осипов, Л.В. Панина, Т.П. Тимашева, В.И. Щербаков, Л.С. Ягужинский. Криогенные мишени для реактора. Часть III. Метод FST: формирование твердого водородного топлива внутри движущейся сферической оболочки / Москва, Физический институт имени П.Н. Лебедева 2014, Препринт № 11, с. 217], например в способе «Fluidized bed» [D.T. Goodin, et al. Demonstrating a target supply for inertial fusion energy. Proceed. 3^rd IAEA RCM on Physics and Technology of IFE Targets and Chambers (11-13 October, 2004, Daejon, Rep.Korea),] массив незакрепленных оболочек подвешивается в потоке газообразного гелия. Охлаждение оболочек и образование слоя происходит за счет постепенного снижения температуры гелия. Предполагается, что топливный слой в момент перехода через тройную точку должен охлаждаться достаточно медленно, чтобы сформировался прозрачный кристаллический слой. В способе «Foam layering» [T. Norimatsu, et al. Update for the drag force on an injection pellet and target fabrication for inertial fusion. // Fusion Sci.Technol. 43, N3, 339, 2003] массив незакрепленных оболочек подвешивается в потоке газообразного гелия. Охлаждение оболочек и образование слоя происходит за счет постепенного снижения температуры гелия. Предполагается, что топливный слой в момент перехода через тройную точку должен охлаждаться достаточно медленно, чтобы сформировался прозрачный кристаллический слой. В способе FST (Free-Standing Targets или бесподвесная мишень) [I.V. Aleksandrova, S.V. Bazdenkov, V.I. Chtcherbakov, et al. An efficient method of fuel ice formation in moving free standing ICF / IFE targets. // J. Phys. D: Appl.Phys. 37, 1163, 2004] для получения сферически-симметричного криогенного слоя топлива используется беспорядочное вращение движущейся сферической оболочки и ее охлаждения через перемещающееся пятно контакта. По этому способу возможно сформировать топливный слой в ультрадисперсном состоянии, устойчивый в широком температурном диапазоне (от 5 K до тройной точки применяемого топливного вещества).

Общим недостатком известных способов получения криогенной мишени являются большие размеры мишени, ее сложность из-за наличия оболочки и не резонансные размеры мишени.

Известен способ получения монодисперсной криогенной мишени [А.В. Бухаров, М.А. Бухарова, Е.В. Вишневский. Криогенный мишенный комплекс ускорителя FAIR и перспективы его развития // Письма в ЭЧАЯ. 2023. Т. 20, №4(249). С. 733-741], включающий адиабатическое охлаждение газа, например, водорода и его изотопов с помощью сверхзвуковых сопел Лаваля микронного размера. При попадании газа через сопло в вакуум газ охлаждается и образует сверхзвуковой поток, в котором из-за резкого падения температуры происходит конденсация с образованием наночастиц, так называемых кластеров. Размер кластеров и их плотность зависят от выходного диаметра сопла, формы сверхзвуковой части сопла, давления и температуры газа перед входом в сопло.

Известен способ получения монодисперсных гранул из жидкого водорода [Бухаров А.В., Семенов А.А., Чернышев В.П., Чернецкий В.Д., Бюшер М. Эксперименты по получению гранул из жидкого водорода // Труды 4-й Российской национальной конференции по теплообмену (2006). Том 1, с. 182-185], заключающийся в формировании струи жидкого криоагента, например, водорода, дейтерия, азота, аргона, криптона и ксенона с помощью тонкого капилляра, направлении ее в камеру с давлением менее давления тройной точки и создании возмущения накладываемого на струю, вынужденном капиллярном распаде струи жидкой струи на одинаковые капли и создании интенсивного испарения, охлаждения и замерзания капли.

В общем виде криогенные монодисперсные мишени представляют собой поток твердых монодисперсных гранул из водорода или его изотопов диаметром от 10 мкм до 100 мкм, скоростью до 100 м/с, частотой появления в рабочей камере от 0,01 Гц до 500 кГц.

Общим недостатком известных способов получения криогенной мишени являются не резонансные размеры мишени.

В качестве прототипа изобретения выбран способ получения криогенной корпускулярной мишени и устройство для его осуществления (Патент РФ 2298890), включающий выполнение криогенной мишени в виде сферической гранулы замороженной капли криоагента, например, жидкого водорода или его изотопов, формирование жидкой струи криоагена, пропускание струи криоагента через вакуумную камеру, создание в вакуумной камере давления чуть ниже давления тройной точки, с помощью генератора монодисперных капель методом вынужденного капиллярного распада струй разбивают струю жидкого криоагента на капли одинакового размера, замораживают капли криоагента и пропускают их через рабочую камеру.

Общим недостатком известного способа получения монодисперсной криогенной мишени являются не резонансные размеры мишени и не высокая эффективность ее при облучении электромагнитным излучением.

3адачей изобретения является получение криогенной мишени в виде сферических твердых резонансных одинаковых гранул размером от единиц до сотен микрон.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения резонансной криогенной мишени, включающем выполнение криогенной мишени в виде сферической гранулы замороженной капли криоагента, например, жидкого водорода или его изотопов, формирование жидкой струи криоагена, пропускание струи криоагента через вакуумную камеру, создание в вакуумной камере давления чуть ниже давления тройной точки, с помощью генератора монодисперных капель методом вынужденного капиллярного распада струй разбивании струи жидкого криоагента на капли одинакового размера, замораживании капли криоагента и пропускании их через рабочую камеру новым является то, что сферические гранулы выполняются из материала прозрачного для освещающего электромагнитного излучения с показателем преломление криоагента менее 2, диаметр гранулы выбирается не менее 10λ/π и в грануле возбуждаются суперрезонансные моды Ми высокого порядка, формируются горячие точки вокруг полюсов сферической гранулы вдоль направления распространения электромагнитного излучения при ее облучении.

Сущность заявляемого способа поясняется на примере устройства, реализующего этот способ.

Функциональная схема этого устройства (а) и области формирования «горячих» точек в сферической грануле криоагента (б) представлена на Фиг. 1.

На Фиг. 2 приведена структура Фано резонанса (а) на λ=533,9 нм для сферической гранулы с диаметром около 12 мкм и показателем преломления 1,33. 1 - интенсивность электрического поля, 2 - интенсивность магнитного поля (в логарифмическом масштабе). Пики интенсивностей электрического (б) и магнитного полей (в). Соответствующие максимальные значения равны 1,287^.10⁶ и 2,302^.10⁷. распределения (б)-(в) построены вдоль диаметра сферической гранулы в линейном масштабе.

Обозначения: 1 - криостат для получения жидкого криоагента, например, водорода, 2 - генератор монодисперсных капель, 3 - тонкий капилляр, для направления струи в камеру с давлением менее давления тройной точки и создания возмущения накладываемого на струю - 4, вынужденный капиллярный распад жидкой струи на одинаковые капли 5, 6 - рабочая камера, 7 - устройство интенсивного охлаждения и замерзания капли, 8 - пучок электромагнитного излучения; 9 - «горячие» точки.

Диэлектрические сферы с определенными параметрами размера и изготовленные из материала с малыми потерями, могут стимулировать гигантскую напряженность поля в сингулярностях, а затем образовывать две круглые горячие точки вокруг полюсов сферы и могут поддерживать так называемые «суперрезонансные моды» [Патент РФ2795609; Yue L., Yan B, Monks J, Wang Z, Minin I.V., and Minin O.V. Loss impact on super resolution photonic jet produced by a Teflon sphere // Proc. Progress in Electromagnetics Research Symposium, St Petersburg, 22-25 May 2017, Russia. 2017. P.1377.; И.В. Минин, О.В. Минин. Оптический суперрезонанс в мезоразмерных диэлектрических сферах // Фотоника, том 16 №4 306-317 (2022)].

Суть эффекта суперрезонанса заключается в том, что для сферической слабодиссипативной диэлектрической частицы мода внутреннего резонанса высокого порядка интерферирует с широким спектром всех остальных мод. В результате такой интерференции резонансная линия имеет характерную форму резонанса Фано, которая наблюдается и для спектров напряженности электрического и магнитного поля на поверхности частицы. Другие особенности эффекта суперрезонанса заключаются в уникальном расположении «горячих точек» на полюсах сферы [I. V. Minin, O. V. Minin, Z. Song. High-Order Fano Resonance in a Mesoscale Dielectric Sphere with a Low Refractive Index. JETP Letters, 2022, Vol. 116, No. 3, pp. 144-148], обусловленных специфическим поведением внутренних мод Ми, где коэффициенты усиления напряженности магнитного и электрического полей могут достигать экстремально высоких значений. Интенсивность электромагнитного поля в горячих точках может на несколько порядков, примерно на 10³-10¹⁰, превышать интенсивность электромагнитного поля в освещающей волне. Особенностью этого типа резонанса является то, что величина интенсивности магнитного поля существенно превышает величину интенсивности электрического поля в горячих точках [Патент РФ 2790963].

В окрестности полюсов такой диэлектрической сферы наблюдается гигантское локальное усиление магнитного и электрического полей вблизи полюсов сферической частицы благодаря конструктивной интерференции одной резонансной моды с широким спектром мод внутри частицы.

Как известно, магнитное поле возникает в результате изменяющегося во времени электрического поля (например, в электромагнитной волне) или оно генерируется движением электрических зарядов (например, током в соленоиде или движением заряженных частиц).

При взаимодействии переменного электромагнитного поля излучения, освещающего сферическую диэлектрическую частицу создающего в ней оптические вихри, на атомы материала сферической частицы в области формирования оптических вихрей со стороны электромагнитного поля действует переменная во времени сила. Под действием поля электроны в материале диэлектрической сферы начинают двигаться с ускорением. Движение зарядов в материале сферической частицы по замкнутой траектории, в оптическом вихре, генерирует магнитное поле.

Диэлектрические сферические частицы с диаметром больше или равным длине волны излучения, занимают малоисследованную нишу между наночастицами и частицами, для которых справедлива геометрическая оптика. Несмотря на то, что локализованное поле ограничено размером сфер порядка d > λ, в последнее время для таких частиц обнаружен ряд новых важных оптических эффектов и свойств, отличных от таковых для малых частиц.

Так, в диэлектрических частицах с низким показателем преломления (менее 2) [Luk`yanchuk B., Paniagua-Domınguez R., Minin I.V., Minin O.V., Wang Z. Refractive index less than two: Photonic nanojets yesterday, today and tomorrow // Optical Materials Express. 2017. Vol. 7. No. 6. P. 1820 - 1847] был обнаружен и наблюдался ряд интересных явлений и применений. Например, оптические сингулярности сложной внутренней структуры, которые образуют две горячие точки вблизи полюсов частиц [Yue L., Yan B., Monks J., Dhama R., Jiang C., Minin O.V., Minin I.V. & Wang Z. Full three-dimensional Poynting vector flow analysis of great field-intensity enhancement in specifically sized spherical-particles // Sci. Rep. 2019. Vol.9. P.20224], эффект мод шепчущей галереи, преодолевающий дифракционный предел, ведущий к получению изображений со сверхвысоким разрешением [Yue L., Yan B., Monks J., Dhama R., Jiang C., Minin O.V., Minin I.V. & Wang Z. Full three-dimensional Poynting vector flow analysis of great field-intensity enhancement in specifically sized spherical-particles // Sci. Rep. 2019. Vol.9. P.20224], сильная связь молекулы с полостью, нерезонансные эффекты фотонной струи и структурированных полей в форме фотонных крючков и петель, открытых в 2015 году [I. V. Minin, O. V. Minin, Diffractive Optics and Nanophotonics: Resolution Below the Diffraction Limit, Springer, Cham (2016).], позволяющие создавать новый класс оптических ловушек для анизотропных нанообъектов [O. V. Minin, W.-Y. Chen, S.-C. Chien, C.-H. Cheng, I. V. Minin, and C.-Y. Liu, "In-plane subwavelength optical capsule for lab-on-a-chip nano-tweezers," Opt. Lett. 47, 794-797 (2022); O.V. Minin, I. V. Minin, and Y. Cao. Time Domain Self-bending Photonic Hook Beam Based on Freezing Water Droplet. // Scientific Reports 13, 7732 (2023)] и многие другие. Эти и другие эффекты указывают на многообещающие результаты и новые направления исследований, открывающиеся благодаря мезомасштабным диэлектрическим частицам с контрастом показателя преломления менее 2.

В работе [Патент РФ 2786780] предложен способ определения суперрезонанса на модах Ми высокого порядка для сферической диэлектрической частицы, который заключается в изготовлении сферической диэлектрической частицы из прозрачного материала для используемого излучения, облучении диэлектрической частицы когерентным излучением монохроматичным излучением. При этом облучение диэлектрической частицы осуществляют перестраиваемым источником излучения с формированием освещающей волны с плоским волновым фронтом.

Работа устройства, реализующего предлагаемый способ происходит следующим образом. В криостате 1 формируется жидкий криоагент, например, водород, который подается в генератор монодисперсных капель 2, на выходе которого установлен тонкий капилляр 3, через который пропускается жидкий криоагент и далее струя криоагента направляется в камеру с давлением менее давления тройной точки и при этом создаются возмущения накладываемого на струю - 4. Затем осуществляют вынужденный капиллярный распад жидкой струи на одинаковые капли 5 малого размера, используя известный способ вынужденного капиллярного распада струй (ВКРС). Под действием специально созданных возмущений, например, с помощью пьезоэлемента, создающего механические возмущения в струе, в результате которых формируются капиллярные волны с амплитудой, примерно равной толщине жидкой струи криоагента, разрывающие струю на капли 5. Далее сформированные капли 5 жидкого криоагента охлаждаются и замерзают, формируя сферические твердые гранулы малого размера, которые поступают в рабочую камеру 7. Диаметр формируемых сферических гранул лежит в диапазоне примерно от единиц до нескольких сотен микрометров и определяется диаметром тонкого капилляра и периодом возмущений прилагаемых на струю криоагента. В рабочей камере 7 сферические гранулы освещаются электромагнитным излучением 8, сформированным, например, лазером.

В результате математического моделирования установлено, что при диаметре сферической гранулы менее 10λ/π, где λ - длина волны электромагнитного излучения, облучающего гранулу и показателе преломления материала гранулы более 2, интенсивность электромагнитного поля в горячих точках резко уменьшается.

Известно, что, например, показатель преломления дейтерий-тритиевой смеси в пропорции 54:45 изменяется от 1,1618±0,0002 при 19,404 кельвин до 1,1628±0,0002 при 17,89 кельвин. Похожим образом ведет себя твердый дейтерий [Keisuke Iwano, Jiaqi Zhang, Akifumi Iwamoto, Yuki Iwasa, Keisuke Shigemori, Masanori Hara,Yuji Hatano, Takayoshi Norimatsu & Kohei Yamanoi. Refractive index measurements of solid deuterium-tritium // Scientific Reports volume 12, Article number: 2223 (2022)], показатель преломления твердого азота на длине волны излучения 0,6328 мкм равен 1,25.

Резонанс внутреннего поля гранулы возникает при настройке частоты падающей волны 8 на частоту одной из собственных мод сферической гранулы. В этом случае происходит перестройка пространственной структуры внутреннего поля, приводящая к резкому увеличению интенсивности электромагнитного поля в областях фокусировки излучения (горячих точках) 9 локализации поля вблизи поверхности сферической гранулы с формированием кольцевых периодических структур в форме стоячих волн.

При облучении диэлектрической сферической мезоразмерной гранулы электромагнитным излучением в ней могут сформироваться суперрезонансные моды Ми высокого порядка с формированием микро оптических вихрей и двух горячих точек 9, расположенных в верхней и нижней вершинах сферической гранулы вдоль направления распространения излучения. В окрестности полюсов такой диэлектрической сферической гранулы наблюдается гигантское локальное усиление магнитного и электрического полей вблизи полюсов сферической гранулы благодаря конструктивной интерференции одной резонансной моды с широким спектром мод внутри гранулы.

Например, для сферической гранулы с показателем преломления 1,33 и параметром размера q = 70,6, где q=2πrλ параметр Ми (что на длине волны около λ = 534 нм соответствует диаметру сферы около 12 микрон) обеспечивается добротность порядка ~ 6⋅10⁸, а резонансная мода имеет экстремально высокий номер l = 86. При этом возможна генерация электрического и магнитного полей с интенсивностями в полюсах сферы около 10⁶-10⁷ соответственно, превышающие интенсивность электрического и магнитного полей в освещающей волне.

Таким образом, показана возможность получения криогенной мишени в виде сферических твердых резонансных одинаковых гранул размером от единиц до сотен микрон с генерацией электрического и магнитного полей с интенсивностями в полюсах сферы (горячих) точках в 10⁶-10⁷ раз больше, чем интенсивность поля в освещающей волне.

Изобретение относится к технологии изготовления микромишеней и может быть использовано при проведении исследовательских программ в области физики высоких энергий, например, при термоядерном синтезе, для генерации экстремального ультрафиолетового и рентгеновского излучения, поиска новых частиц. Способ получения резонансной криогенной мишени включает выполнение криогенной мишени в виде сферической гранулы замороженной капли криоагента, например, жидкого водорода или его изотопов путем формирования жидкой струи криоагента и ее пропускания через вакуумную камеру, где создается давление чуть ниже давления тройной точки и посредством вынужденного капиллярного распада струи жидкого криоагента разбиваются на капли одинакового размера с их замораживанием и пропусканием через рабочую камеру. Причем сферические гранулы выполняются из материала прозрачного для освещающего электромагнитного излучения с показателем преломление криоагента менее 2, диаметр гранулы выбирается не менее 10λ/π и в грануле возбуждаются суперрезонансные моды Ми высокого порядка, формируются горячие точки вокруг полюсов сферической гранулы вдоль направления распространения электромагнитного излучения при ее облучении. 2 ил.

Способ получения резонансной криогенной мишени, включающий выполнение криогенной мишени в виде сферической гранулы замороженной капли криоагента, например, жидкого водорода или его изотопов, формирование жидкой струи криоагена, пропускание струи криоагента через вакуумную камеру, создание в вакуумной камере давления чуть ниже давления тройной точки, с помощью генератора монодисперных капель методом вынужденного капиллярного распада струй разбивают струю жидкого криоагента на капли одинакового размера, замораживают капли криоагента и пропускают их через рабочую камеру, отличающийся тем, что сферические гранулы выполняются из материала прозрачного для освещающего электромагнитного излучения с показателем преломление криоагента менее 2, диаметр гранулы выбирается не менее 10λ/π и в грануле возбуждаются суперрезонансные моды Ми высокого порядка, формируют горячие точки вокруг полюсов сферической гранулы вдоль направления распространения электромагнитного излучения при ее облучении.